Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля (стр. 4 из 7)

, (37)

2.3.9.Учитывая, что:

, из выражения (36) в точке “z” получим значение mC^’’_РZ:

, (38)

Задаваясь в первом приближении температурой в точке Z равной 1800 К, определяют теплоемкость mC^’’_РZ и температуру Т_Zпо уравнению (31). При отклонении Т_Z от 1800 К более, чем на 50 К, расчет повторяют.

Температура Т_Zнаходится в пределах 1750  1950 К.

Более высокие значения Т_Zнежелательны во избежание существенных потерь теплоты от значительной диссоциации молекул газов.

Максимальное давление сгорания Р_Z и степень предварительного расширения  определяют из соотношений:

, (39)

, (40)

2.4. Процесс расширения

По углу открытия выпускных органов газораспределения j_В определяют объем рабочего тела V_В в точке “в”:

,

Таблица 3.

Дизель	ПД1М	K6S310DR	У1Д6	1Д12-400	1Д12Н-500	М756	Д70	Д49
Фаза jв,0пкв	70	45	48	48	60	56	49	59,5

Степень последующего расширения определяют из соотношения

, (41)

Для определения температуры рабочего тела в конце расширения (точка “в” расчетной индикаторной диаграммы) используют уравнения:

, К, (42)

где n₂ - среднее значение показателя политропы расширения, и уравнение теплового баланса процесса расширения с учетом тепловыделения от догорания топлива на линии расширения:

, (43)

где

,

Уравнения (42) и (43) решаются совместно одним из численных методов.

Обычно для тепловозных дизелей величины n₂ = 1,21 -1,3, Т_В = 900 -1200К.

Давление в конце расширения определяют по формуле:

, МПа (44)

У современных тепловозных дизелей давление в конце расширения достигает величины Р_В = 0,5 - 1,0 МПа.

Температура Т_Вне должна превышать 1200К во избежание значительного перегрева выпускных клапанов, головок поршней и пригорания поршневых колец.

2.5. Определение температуры газов, на входе в турбину и баланса мощностей компрессора и турбины

2.5.1.Схематически можно принять

что в процессе выпуска последовательно происходят изоэнтальпийное истечение газовизцилиндров в выпускной коллектор, их перемешивание с продувочным воздухом и перенос отработавших газов к турбине с некоторой потерей теплоты в стенки коллектора.

При перемешивании газов с наддувочным воздухом из уравнения баланса теплоты находится температура смеси.

Уравнение баланса теплоты может быть представлено в виде:

, (45)

гдеG_S; G -суммарный и теоретический расход воздуха;

Т_СМ, Т_S; Т_В - температуры смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в”:

mC_РСМ; mC_РS и mC_РВ - молярные теплоемкости смеси, воздуха в ресивере и газов в точке “в” (берутся из курса теплотехники).

Принимая mC_РВ = mС_РСМ , получим

, (46)

Температуру смеси рабочего тела перед турбиной определяют с учетом потерь теплоты на охлаждение:

, (47)

где y_r- коэффициент, учитывающий теплоотвод в выпускной системе;

Т’_W- температура теплоносителя, охлаждающего коллектор.

В тепловозных дизелях величина y_r находится в пределах:

· для коллектора, охлаждаемого водой - 0,1 - 0,15;

· для неохлаждаемого коллектора - 0,01 - 0,03.

В случае охлаждения коллектора водой значениеТ’_Wпринимается в пределах 320 - 360 К. Для неохлаждаемого коллектора значение Т’_Wпринимается равной температуре воздуха в кузове тепловоза.

2.5.2.Мощность турбины

зависит от расхода смеси G_Z, температуры смеси Т_СМ на входе в турбину, перепада давлений в турбине _Т и КПД h_Т. Для обеспечения продувки двигателя перепад давлений по двигателю для 4-тактных дизелей не должен быть ниже

, а для 2-тактных дизелей (где Р_Т - давление газов перед турбиной).

Тогда:

, (48)

где x_r - коэффициент потерь давления в выпускной системе x_r = 0,9 - 0,95.

Мощность турбины:

, (49)

где К_Г - показатель адиабаты выпускных газов К_Г = 1,32  1,35;

Из баланса мощностей компрессора и турбины получим требуемый КПД турбины:

, (50)

где N_К подсчитана по формуле (13).

Полученные величины требуемого КПД не должны быть выше значений, реально достигаемых в настоящее время h_Т 0,8  0,85.

Если требуемый КПД турбины будет выше, это значит, что выбранная схема воздухоснабжения и температура рабочего тела на выходе из дизеля Т_В не обеспечивают получения заданного давления наддува. Необходимо снизить величину

за счет увеличения проходных сечений при газообмене или увеличить степень предварительного расширения за счет снижения . Последнее нежелательно, так как приведет к снижению максимального давления сгорания, к повышению температуры в точке “в” и к снижению эффективного коэффициента полезного действия двигателя.

2.6. Технико-экономические показатели проектируемого дизеля

Величина среднего индикаторного давления:

,Па (51)

Для 4-х тактных дизелей y = 0, и коэффициент полноты диаграммы принимают j_П = 0,94 0,96. Для 2-х тактных дизелей при прямоточно-щелевой продувке j = 1,0, а при прямоточно-клапанной – 0,97 0,99.

Принимая по опытным данным значение механического КПД h_Мв пределах:

· для 4-х тактных дизелей: без наддува @0,75  0,80;

с наддувом @ 0,80  0,92;

· для 2-х тактных дизелей: без наддува @ 0,7 - 0,75;

с наддувом @ 0,75  0,85,

определяют среднее эффективное давление:

, Па (52)

Эффективная мощность дизеля определяется по формуле:

, кВт (53)

В случае, если полученная мощность окажется меньше заданной, следует изменить рабочий объем двигателя или давление наддува и произвести повторный расчет.

Индикаторный КПД определяется из соотношения:

, (54)

где R_В = 0,287 кДж/кг^.К;Н_И = 42500 кДж/кг; L’₀ = 14,35.

Эффективный КПД дизеля:

,

Индикаторный КПД тепловозных дизелей изменяется в пределах h_i = 0,44 - 0,51, а эффективный - h_е = 0,38 -0,44.

Удельный индикаторный расход топлива:

, кг/кВт^.ч (55)

Удельный эффективный расход топлива:

, кг/кВт^.ч (56)

Достигнутые значения g_е для тепловозных дизелей: 4-х тактные – 0,2 - 0,205, а у 2-х тактных – 0,21 - 0,231 г/кВт^.ч.

Литровая мощность двигателя:

, кВт/л (57)

Для тепловозных дизелей соответственно: 4-х тактные N_Л15, а 2-х тактные - 13 кВт/л.

После окончания расчета рабочего процесса и технико-экономических показателей все основные результаты следует свести в таблицу 4.

Таблица 4.

Результаты расчетов.

№№	Наименование показателя	Обозначение	Размерность	Значение
1	2	3	4	5
1.	Эффективная мощность.	Nе	кВт
2.	Угловая скорость коленчатого вала.	w	рад/с
3.	Размерность двигателя.	S/D	-
4.	Суммарный коэффициент избытка воздуха.	S	-
5.	Расход воздуха.	GS	кг/с
6.	Давление наддува.	РS	МПа
7.	Мощность, потребляемая компрессором.	NК	кВт
8.	Температура воздуха на выходе из компрессора.	Т2	К
9.	То же, на входе в дизель.	ТS	К
10.	Потери давления воздуха.	Р’S	МПа
11.	Давление воздуха в начале сжатия.	Ра	МПа
12.	Температура воздуха в конце наполнения.	Та	К
13.	Масса рабочего тела в конце наполнения.	Ма	кг
14.	Коэффициент наполнения.	hV	-
15.	Степень сжатия.	e	-
16.	Показатель политропы сжатия.	n1	-
17.	Давление воздуха в точке “С”.	РС	МПа
18.	Температура воздуха в точке “С”.	ТС	К
19.	Давление газов в точке “z”.	РZ	МПа
20.	Температура газов в точке “z”.	ТZ	К
21.	Давление газов в точке (В).	РВ	МПа
22.	Температура газов в точке (В).	ТВ	К
23.	Показатель политропы расширения.	n2	-
24.	Температура газов перед турбиной.	Тr	К
25.	Мощность турбины.	NТ	кВт
26.	КПД турбины.	hТ	-
27.	Среднее индикаторное давление.	Рi	МПа
28.	Среднее эффективное давление.	Ре	МПа
29.	Индикаторный КПД.	hi	-
30.	Эффективный КПД.	hе	-
31.	Цикловая подача топлива.	gц	кг/цикл
32.	Удельный индикаторный расход топлива.	gi	кг/цикл
33.	Эффективный расход топлива.	gе	кг/кВт.ч
34.	Литровая мощность.	Nл	кВт/л

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ